Iratkozzon fel közösségi oldalainkra az azonnali posztokért
A lézeres pumpálás lényegében egy közeg energiával való feltöltésének folyamata, amelynek során az lézerfényt bocsáthat ki. Ezt jellemzően úgy érik el, hogy fényt vagy elektromos áramot injektálnak a közegbe, gerjesztik az atomjait, és koherens fény kibocsátásához vezetnek. Ez az alapvető folyamat jelentősen fejlődött az első lézerek 20. század közepén történt megjelenése óta.
Bár gyakran sebességegyenletekkel modellezik, a lézeres pumpálás alapvetően kvantummechanikai folyamat. Bonyolult kölcsönhatásokat foglal magában a fotonok és az erősítőközeg atomi vagy molekuláris szerkezete között. A fejlett modellek olyan jelenségeket vesznek figyelembe, mint a Rabi-oszcillációk, amelyek árnyaltabb megértést nyújtanak ezekről a kölcsönhatásokról.
A lézeres pumpálás egy olyan folyamat, amelynek során energiát, jellemzően fény vagy elektromos áram formájában, juttatnak a lézer erősítő közegébe, hogy atomjait vagy molekuláit magasabb energiaállapotba emeljék. Ez az energiaátadás kulcsfontosságú a populációinverzió eléréséhez, amely állapot több részecskét gerjeszt, mint alacsonyabb energiaállapotban, lehetővé téve a közeg számára, hogy indukált emisszió révén erősítse a fényt. A folyamat bonyolult kvantumkölcsönhatásokat foglal magában, amelyeket gyakran sebességegyenletekkel vagy fejlettebb kvantummechanikai keretrendszerekkel modelleznek. A kulcsfontosságú szempontok közé tartozik a pumpáló forrás (például lézerdiódák vagy kisülési lámpák) megválasztása, a pumpáló geometriája (oldalsó vagy végi pumpálás), valamint a pumpáló fényjellemzők (spektrum, intenzitás, nyalábminőség, polarizáció) optimalizálása az erősítő közeg specifikus követelményeinek megfelelően. A lézeres pumpálás alapvető fontosságú a különböző lézertípusokban, beleértve a szilárdtest, félvezető és gázlézereket, és elengedhetetlen a lézer hatékony és eredményes működéséhez.
Optikailag pumpált lézerek fajtái
1. Szilárdtest lézerek adalékolt szigetelőkkel
· Áttekintés:Ezek a lézerek elektromosan szigetelő befogadóközeget használnak, és optikai pumpálásra támaszkodnak a lézeraktív ionok gerjesztésére. Gyakori példa erre a neodímium a YAG lézerekben.
·Legújabb kutatások:A. Antipov és munkatársai egy szilárdtest közeli infravörös lézert tárgyalnak spincserélő optikai pumpáláshoz. Ez a kutatás kiemeli a szilárdtest lézertechnológia fejlődését, különösen a közeli infravörös spektrumban, amely kulcsfontosságú olyan alkalmazásokban, mint az orvosi képalkotás és a telekommunikáció.
További olvasmány:Szilárdtest közeli infravörös lézer spincserélő optikai pumpáláshoz
2. Félvezető lézerek
·Általános információk: A jellemzően elektromosan pumpált félvezető lézerek optikai pumpálást is alkalmazhatnak, különösen a nagy fényerőt igénylő alkalmazásokban, mint például a függőleges külső üreges felületkibocsátó lézerek (VECSEL).
·Legújabb fejlemények: U. Keller ultragyors szilárdtest- és félvezető lézerekből származó optikai frekvenciakefékkel kapcsolatos munkája betekintést nyújt a diódapumpált szilárdtest- és félvezető lézerekből származó stabil frekvenciakefések előállításába. Ez az előrelépés jelentős az optikai frekvenciaméréstechnikai alkalmazások szempontjából.
További olvasmány:Optikai frekvenciakefések ultragyors szilárdtest és félvezető lézerekből
3. Gázlézerek
·Optikai pumpálás gázlézerekben: Bizonyos típusú gázlézerek, mint például az alkáli gőzlézerek, optikai pumpálást alkalmaznak. Ezeket a lézereket gyakran használják olyan alkalmazásokban, amelyek koherens fényforrásokat igényelnek speciális tulajdonságokkal.
Optikai pumpálás forrásai
KisülőlámpákA kisülőlámpákat, amelyek gyakoriak a lámpával pumpált lézerekben, nagy teljesítményük és széles spektrumuk miatt használják. YA Mandryko és munkatársai kidolgoztak egy teljesítménymodellt az impulzusív kisülésének generálására a szilárdtest lézerek aktív közegű optikai pumpáló xenonlámpáiban. Ez a modell segít optimalizálni az impulzusszivattyúzó lámpák teljesítményét, ami kulcsfontosságú a lézerek hatékony működéséhez.
Lézerdiódák:A diódapumpás lézerekben használt lézerdiódák olyan előnyöket kínálnak, mint a nagy hatásfok, a kompakt méret és a finomhangolhatóság.
További olvasnivalók:mi az a lézerdióda?
VakulámpákA vakulámpák intenzív, széles spektrumú fényforrások, amelyeket általában szilárdtest lézerek, például rubin- vagy Nd:YAG lézerek pumpálására használnak. Nagy intenzitású fénykitörést bocsátanak ki, amely gerjeszti a lézerközeget.
ÍvlámpákA vakulámpákhoz hasonló, de folyamatos működésre tervezett ívlámpák állandó, intenzív fényforrást biztosítanak. Olyan alkalmazásokban használják őket, ahol folyamatos hullámú (CW) lézerműködésre van szükség.
LED-ek (fénykibocsátó diódák)Bár nem olyan elterjedtek, mint a lézerdiódák, a LED-ek bizonyos kis fogyasztású alkalmazásokban optikai pumpálásra használhatók. Előnyüket hosszú élettartamuk, alacsony költségük és különböző hullámhosszakon való elérhetőségük jelenti.
NapfényNéhány kísérleti beállításban koncentrált napfényt használtak pumpáló forrásként a napenergiával pumpált lézerekhez. Ez a módszer a napenergiát hasznosítja, így megújuló és költséghatékony forrássá válik, bár kevésbé szabályozható és kevésbé intenzív a mesterséges fényforrásokhoz képest.
Száloptikás lézerdiódákEzek optikai szálakhoz kapcsolt lézerdiódák, amelyek hatékonyabban juttatják el a szivattyúfényt a lézerközegbe. Ez a módszer különösen hasznos szálas lézerekben és olyan helyzetekben, ahol a szivattyúfény pontos leadása kulcsfontosságú.
Egyéb lézerekElőfordul, hogy egy lézert egy másik pumpálására használnak. Például egy kétszeres frekvenciájú Nd:YAG lézer használható egy festéklézer pumpálására. Ezt a módszert gyakran alkalmazzák, ha a pumpálási folyamathoz olyan speciális hullámhosszakra van szükség, amelyeket a hagyományos fényforrásokkal nem lehet könnyen elérni.
Diódával pumpált szilárdtest lézer
Kezdeti energiaforrásA folyamat egy diódalézerrel kezdődik, amely pumpáló forrásként szolgál. A diódalézereket hatékonyságuk, kompakt méretük és meghatározott hullámhosszú fénykibocsátási képességük miatt választják.
Szivattyú jelzőfény:A diódalézer fényt bocsát ki, amelyet a szilárdtest erősítő közeg elnyel. A diódalézer hullámhosszát az erősítő közeg abszorpciós jellemzőihez igazítják.
SzilárdtestKözepes erősítés
Anyag:A DPSS lézerek erősítőközege jellemzően szilárdtest anyag, például Nd:YAG (neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium gránát), Nd:YVO4 (neodímiummal adalékolt ittrium-ortovanadát) vagy Yb:YAG (itterbiummal adalékolt ittrium-alumínium gránát).
Dopping:Ezeket az anyagokat ritkaföldfém-ionokkal (például Nd vagy Yb) adalékolják, amelyek az aktív lézerionok.
Energiaelnyelés és gerjesztés:Amikor a diódalézer pumpáló fénye belép az erősítőközegbe, a ritkaföldfém-ionok elnyelik ezt az energiát, és magasabb energiaállapotokba gerjesztődnek.
Népesség inverzió
A populáció inverziójának elérése:A lézerhatás kulcsa a populációinverzió elérése az erősítőközegben. Ez azt jelenti, hogy több ion van gerjesztett állapotban, mint alapállapotban.
Stimulált emisszió:Miután a populációinverzió megvalósult, a gerjesztett és az alapállapot közötti energiakülönbségnek megfelelő foton bevezetése ösztönözheti a gerjesztett ionokat az alapállapotba való visszatérésre, fotont bocsátva ki a folyamatban.
Optikai rezonátor
Tükrök: Az erősítőközeget egy optikai rezonátor belsejében helyezik el, amelyet jellemzően a közeg mindkét végén található két tükör alkot.
Visszacsatolás és erősítés: Az egyik tükör erősen, a másik pedig részben fényvisszaverő. A fotonok ide-oda verődnek a tükrök között, ami további emissziót gerjeszt és felerősíti a fényt.
Lézerkibocsátás
Koherens fény: A kibocsátott fotonok koherensek, azaz azonos fázisban vannak és azonos hullámhosszúak.
Kimenet: A részben visszaverő tükör átengedi a fény egy részét, létrehozva a DPSS lézerből kilépő lézersugarat.
Szivattyúzás geometriái: Oldalsó vs. végszivattyúzás
| Szivattyúzás módszer | Leírás | Alkalmazások | Előnyök | Kihívások |
|---|---|---|---|---|
| Oldalsó pumpálás | A lézerközegre merőlegesen bevezetett pumpafény | Rúd- vagy szálas lézerek | A szivattyúfény egyenletes eloszlása, nagy teljesítményű alkalmazásokhoz alkalmas | Nem egyenletes erősítéseloszlás, gyengébb nyalábminőség |
| Szivattyúzás vége | A lézersugárral azonos tengely mentén irányított szivattyúfény | Szilárdtest lézerek, mint például az Nd:YAG | Egyenletes erősítéseloszlás, magasabb nyalábminőség | Komplex illesztés, kevésbé hatékony hőelvezetés nagy teljesítményű lézerekben |
A hatékony szivattyúvilágítás követelményei
| Követelmény | Fontosság | Hatás/Egyenleg | További megjegyzések |
|---|---|---|---|
| Spektrum alkalmasság | A hullámhossznak meg kell egyeznie a lézerközeg abszorpciós spektrumával | Biztosítja a hatékony abszorpciót és a hatékony populáció-inverziót | - |
| Intenzitás | Elég magasnak kell lennie a kívánt gerjesztési szint eléréséhez | A túl magas intenzitás termikus károkat okozhat; a túl alacsony intenzitás nem eredményezi a populáció inverzióját. | - |
| Sugárminőség | Különösen kritikus a végpumpált lézerekben | Hatékony csatolást biztosít és hozzájárul a kibocsátott lézersugár minőségéhez | A nagy sugárminőség kulcsfontosságú a szivattyúfény és a lézer üzemmód hangerejének pontos átfedéséhez |
| Polarizáció | Anizotróp tulajdonságokkal rendelkező közegekhez szükséges | Növeli az abszorpciós hatékonyságot és befolyásolhatja a kibocsátott lézerfény polarizációját | Szükség lehet egy adott polarizációs állapotra |
| Intenzitási zaj | Az alacsony zajszint kulcsfontosságú | A pumpa fényintenzitásának ingadozása befolyásolhatja a lézer kimenetének minőségét és stabilitását | Fontos a nagy stabilitást és pontosságot igénylő alkalmazásokhoz |
Közzététel ideje: 2023. dec. 1.